中國粉體網訊 隨著科學技術的不斷發展，電子產品正高速向集成化、大功率化方向發展，然而這類產品在使用過程中會產生大量的熱能，導致熱量集聚，進而引發設備老化等問題，因此，為保障電子設備正常高效工作，需要能將積累的能量快速散出的高導熱性能的材料。
高分子聚合物材料具有易加工成型、低密度、耐腐蝕、耐熱性、低介電常數及優異的力學性能，使其廣泛應用到電子設備、航空航天等領域。其中，大部分高分子聚合物的熱導率都低于0.5Wm-1K-1，是熱絕緣體，其低導熱性能限制了其在導熱領域的應用，因此提高高分子聚合物材料的導熱性能成為研究的重點。
導熱聚合物材料
本征型導熱聚合物材料
聚合物材料本身具有導熱能力被稱為本征型導熱聚合物材料。在加工過程中改變聚合物的鏈結構、提高材料結晶度、改變晶型可制得本征型高導熱聚合物；或者制備內部缺陷少的材料減少聲子散射；通過借用外力（電場力、磁場力、拉伸應力）改變分子鏈排列方式以此獲得特殊的物理結構等方法提高自身導熱率。但是這種復合材料的制備工藝復雜且成本較大，所以限制了對本征型導熱聚合物材料的研究。
填充型導熱聚合物材料
填充型絕緣導熱聚合物是由高導熱填料與聚合物材料制備而得到的，此制備工藝簡單、成本低、易于控制、并且提升效率明顯。常用的導熱填料包括金屬（鋁、銅等）、金屬氧化物（氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅等）或者某些陶瓷材料如二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮化硼等。
氮化硼/聚合物導熱復合材料
氮化硼不僅可有效提高聚合物基體的導熱性，同時還能保持材料的電絕緣性，所以是制備填充型高導熱、絕緣復合材料的首選。
氮化硼(BN)包含六種晶型，常見的BN有立方氮化硼(c-BN)和六方氮化硼(h-BN)。c-BN與金剛石類似，一般用于制造切割工具。h-BN具有類似石墨的層狀結構，具有出色的力學性能，其面內機械強度可以達500N/m。h-BN還具有出色的耐高溫性能，在空氣中抗氧化溫度為900℃，在真空條件下更是可以達到2000℃。同時h-BN還具有超高的熱導率和優良的絕緣性能。
BN按形態可分為塊狀BN(h-BNs)、片狀BN和管狀BN，可通過合適的方法可將塊狀BN進行剝離得到片狀BN。研究顯示，可將氮化硼納米管(BNNTs)分為單壁和多壁這兩種結構。對于單壁氮化硼納米管，可將其看作由h-BN單層平面卷曲而成，在h-BN平面中，B，N原子以SP2雜化，從而形成類似石墨的六角網狀結構。而多壁氮化硼納米管可看作由同軸單壁納米管所形成。
氮化硼的形態對復合材料導熱性能的影響
填料/聚合物復合材料的性質依賴于填料的性質，如填料的大小、形狀和在聚合物基體中的分散狀態都會影響聚合物的導熱性能。通常大粒徑填料可以明顯提高復合材料的導熱系數，這是因為粒子間界面接觸少、熱阻較小；粒徑也不能過大，否則填料與基體之間的空隙大，不利于導熱通路的形成；小粒徑填料易被基體包覆，導熱粒子難以相互接觸，從而導致復合材料的導熱系數較低。
Wang等分別選用尺寸范圍為5~8μm，15~20μm和25~30μm的BN顆粒制備了環氧復合材料。當填料的質量分數為30%時，對應的導熱系數分別為1.103，1.234，1.476W/(m·K)。
YaN等的研究表明環氧/BNNT-BNNSs復合材料的導熱性較純環氧得到提高，原因是BNNT-BNNSs填料產生有效的BNNT-BNNSs網絡，其顯著增加熱流區域并促進聲子在環氧BNNT-BNNSs復合材料中的擴散。而且，在環氧基體重只要加入少量的BNNT就可以極大的促進導熱網絡的形成并且促進導熱性的增強。
氮化硼表面改性對復合材料導熱性能的影響
由于BN化學穩定性很好，不容易形成化學鍵，而且容易團聚，所以BN與基質材料的親和力差，因此需要對其表面改性以增強與基體的親和力并改善其在基體中的分散性。研究表明，BN表面功能化有助于降低BN的聚集和增強復合材料的熱導率。BN的表面功能化顯著增強了聚合物基體與BN的界面相互作用。硅烷偶聯劑是最常用的BN界面改性劑。
Kim等研究聚硅氮烷(PSZ)改性BN對環氧樹脂導熱性能的影響，由于填料粒子表面極性官能團Si-O鍵的雙偶極作用形成的氫鍵增強了BN與基體的界面粘結性能，故在300℃及N2環境下熱解；當填料含量為70%（質量分數）時，復合材料熱導率增至3.521W/(m·K)，比未改性BN/環氧復合材料的熱導率增加了1.35倍。
BN的取向結構對復合材料導熱性能的影響
h-BN具有顯著的各向異性，其面內熱導率遠高于面外熱導率，且BN通常在聚合物基體中隨機分散，材料在熱流方向上未能形成導熱傳輸網絡，因此熱阻較大，進而材料的傳熱性不能滿足電子產品散熱的要求。對聚合物基體中的h-BN進行取向排列，充分利用h-BN的面內導熱特性，可以提高復合材料的熱導率。常用的取向方法有刮刀法、磁場校準、振蕩剪切、電磁響應及冰模板法。
Yu等采用刮刀切片的方法制備氮化硼/環氧復合材料，使h-BN微片在復合材料中垂直排列成密集堆積結構，最終獲得平面熱導率高達9W/(m·K)的復合材料。Zhan等采用磁響應的方法使得導熱填料h-BN在聚亞芳基醚腈（PEN）基體中取向排列。當填料的質量分數為30%時，復合材料熱導率達到0.662W/(m·K)，比純PEN增加了140%。
雜化填料對復合材料導熱性能的影響
由于單一的導熱填料對提高復合材料的熱導率有限，通過添加一種高導熱填料來提高聚合物熱導率的常用方法通常不能達到預期的效果，通常是針對一些需要電絕緣性能的復合材料。目前很多研究人員將不同種類的顆粒進行共混進而來提高復合材料的熱導率。采用含有不同粒徑和不同形狀的填料的協同效應是增強復合材料導熱性的常用方法。
Li等采用了一部分Al2O3替代了BN來制備PHB/BN/Al2O3復合材料，與只添加BN的PHB/BN復合材料相比，PHB/BN/Al2O3復合材料的熱導率顯著提高。當一部分BN被Al2O3代替后，BN傾向于沿著Al2O3的表面團聚以及排列，該團聚體可以通過增加填料之間的接觸面積，形成更有效的熱傳導路徑。因而BN/Al2O3雜化填料為提高PHB復合材料熱導率提供了一種有效方法，可以在填料含量較低的情況下，同時保持熱導率。
結語
氮化硼具有優異的導熱性和絕緣性，有利于氮化硼/聚合物導熱復合材料的制備，可應用于電子產品的封裝技術中，確保電器設備安全、穩定的運行。但BN表面改性困難、剝離效率低、取向排列困難等都限制了其應用，因此需要對BN進一步研究使得導熱復合材料的性能得到提高。
參考資料：
杜言莉、王歡等.氮化硼及其在導熱復合材料中的研究進展
雷華.氮化硼/環氧樹脂導熱復合材料的制備與性能研究
林正德、嚴慶偉等.六方氮化硼導熱復合材料研究進展
孫娜.氮化硼填充導熱高分子復合材料的制備與性能研究
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